Чтение онлайн

Особенно поучительным результатом дискуссии о ядерных превращениях при столкновении с нейтроном является также открытие принципиальной разницы в распределении энергетических состояний в ядрах и атомах. Действительно, образование долгоживущего промежуточного состояния при столкновении между ядрами и нейтронами любой, достаточно высокой энергии требует обширной непрерывной области энергий составного ядра, которая, казалось, находится в прямом противоречии с доказанной при анализе спектров -излучения дискретностью энергетических состояний. Однако следует учесть, что при подобных соударениях мы имеем дело с такой энергией возбуждения составного ядра, которая много больше энергий возбуждённых состояний, имеющих отношение к обычному -излучению. В то время как в последнем случае мы имеем дело с возбуждением, не превышающим нескольких миллионов электронвольт, в первом же случае энергия возбуждения равняется сумме кинетической энергии свободного нейтрона и энергии связи нейтрона в нормальном состоянии составного ядра, которая составляет для средних массовых чисел почти 10 Мэв. Фактически область непрерывных энергий для таких массовых чисел начинается при энергии возбуждения только около 12 Мэв, и она примыкает к области дискретных состояний ядра совершенно равномерно, причём расстояния между соседними уровнями, которые для самых глубоких состояний оказываются порядка 1 Мэв, очень быстро уменьшаются с ростом энергии.

Прямое указание на чрезвычайно плотное распределение ядерных состояний при высоких энергиях возбуждения дали исследования по захвату очень медленных нейтронов, которые — в противоположность опытам по рассеянию быстрых нейтронов — обнаружили чёткое различие в реакциях ядер с незначительно отличающимися зарядом и массой. Эта избирательность представляет собой, очевидно, квантовомеханическое явление резонанса, обусловленное, так сказать, случайным совпадением энергии связи нейтрона в созданном при захвате новом ядре с квантовым уровнем этого ядра. Из резкости резонанса и наличия избирательности среди элементов можно действительно заключить на основе простых статистических соображений, что для средних массовых чисел расстояния между уровнями вблизи энергии возбуждения 10 Мэв составляют только около 10 эв. Большой интерес представляет явление резонанса при рассеянии медленных нейтронов вообще и прежде всего наблюдение эффективных сечений, которые в отдельных случаях могут более чем в 1000 раз превышать размеры ядер; это убедительный пример полной непригодности классического характера траектории в пределах расстояний, малых по сравнению с длиной волны де Бройля. В таких условиях проблема столкновений действительно обнаруживает далеко идущее сходство с акустическими и оптическими резонансными явлениями, и, как показали впервые Брейт и Вигнер и впоследствии более подробно Бете и Плачек, можно представить, как ядерные эффективные сечения рассеяния и захвата меняются с энергией согласно формулам, совершенно аналогичным хорошо известным дисперсионным формулам оптики.

В то время как эти выводы основываются на весьма общих соображениях, объяснение распределения энергетических уровней ядер, а также оценка вероятностей индивидуальных распадов и излучений, определяющих ход ядерных реакций, требуют более тщательного изучения соответствующих механических проблем. Правда, в настоящее время невозможно провести строгое рассмотрение этих проблем; но характерные свойства ядер, для которых имеет решающее значение как раз тесная связь частиц в ядре, всё же можно объяснить путём сравнения с известными свойствами твердых и жидких тел. Прежде всего типичное различие в распределении возбуждённых состояний атомов и ядер легко объяснить, заметив, что в возбуждённых атомах мы, в общем, имеем дело с изменением квантового состояния отдельного электрона, в то время как при ядерном возбуждении речь идёт о квантовании движений всех частиц, напоминающих вращение и колебания твердого тела. Совокупность энергетических уровней упругого тела в самом деле определяется, если вначале отвлечься от вращений, всеми возможными комбинациями квантовых состояний, соответствующих основным колебаниям, и поэтому, вследствие весьма быстрого роста возможностей комбинирования с энергией, имеет точно такой же общий характер, как спектр состояний ядер. В количественном отношении это сравнение также даёт приблизительно правильное представление о распределении состояний ядра, так как из комбинаций приблизительно эквидистантно распределённых собственных значений с расстояниями около 1 Мэв уже при энергии 10 Мэв мы получаем плотность уровней того же порядка величины, что и полученная из опытов с медленными нейтронами.

Это представление о возбуждении ядра явно показывает далеко идущую аналогию с тепловыми движениями твердого тела при низких температурах, и в этом смысле можно говорить о нагревании ядерной материи при образовании составного ядра в результате столкновения. Возникающая при этом температура, правда, необычайно высока в обычном масштабе (порядка 1011 градусов); в ядерном же масштабе она очень мала, так как при столкновении с не особенно быстрыми частицами вообще возбуждается небольшое число колебательных степеней свободы. С точки зрения квантовой теории теплоемкости температуре составного ядра для средних массовых чисел соответствует при обычных опытах рассеяния около 1 Мэв на степень свободы. При очень быстрых соударениях она, конечно, становится выше, но растет медленно, потому что число возбуждённых степеней свободы быстро увеличивается, и даже при столкновении между ядром и частицей с энергией 100 Мэв температура составит только несколько миллионов электронвольт. Такое понятие ядерной температуры не только очень удобно для характеристики ядерного возбуждения; оно прежде всего оказалось очень полезным для описания связанных с ядерными превращениями процессов распада и излучения, которые согласно нашим представлениям весьма аналогичны испарению и тепловому излучению.

Прежде всего, как впервые заметил Френкель, испускание нейтронов сильно возбуждёнными ядрами в большой степени напоминает обычный процесс испарения, к которому можно, по крайней мере приближённо, применить известную формулу кинетики реакций для зависимости скорости испарения от температуры и теплоты связи. Это сравнение непосредственно объясняет и то, что испущенные при ядерных реакциях нейтроны не уносят всю избыточную энергию, а обнаруживают распределение по энергиям, поразительно сходное с максвелловским для соответствующих ядерных температур. Тот факт, что столкновения с быстрыми нейтронами вместо захвата могут привести к отщеплению одного или нескольких нейтронов, можно свободно рассматривать как постепенный распад составного ядра, который при возрастающих энергиях возбуждения всё более уподобляется постепенному испарению капли жидкости. Для меньших возбуждений применение такой аналогии требует, однако, определённой осмотрительности, так как —в отличие от обычных процессов испарения, где вся тепловая энергия тел много больше энергии, требуемой для освобождения отдельной молекулы, — при соударениях энергия возбуждения составного ядра обычно того же порядка величины, что и энергия связи нейтрона. Как показали, в частности, Ландау и Вайскопф, для описания таких процессов всё же можно применять методы статистической механики, которые представляют собой последовательное обобщение чисто термодинамического способа описания.

Даже если падающая или испущенная частица имеет заряд, превращение ядра происходит как постепенный процесс, при котором сначала образуется составное ядро, энергия которого распределена как в нагретом теле и распад которого протекает затем подобно испарению. Но в таких случаях отталкивание может, особенно если энергия частиц мала, оказать большое влияние на вероятность как образования составного ядра, так и распада его. При этом следует учитывать не только квантовомеханические барьерные эффекты; для энергий частиц, которые больше их потенциала вблизи ядерной поверхности, существенно отметить, что при оценке температуры промежуточного состояния и теплоты испарения, определяющей вероятность распада, эти потенциалы нужно вычесть из общей энергии. Простым следствием отталкивания является также и то, что кинетическая энергия испущенной заряженной частицы в общем случае становится больше кинетической энергии незаряжённой, поскольку в первом случае следует опять прибавить потенциальную энергию к собственно тепловой энергии. Если кинетическая энергия сталкивающейся частицы недостаточно велика, чтобы перевести составное ядро в область непрерывного спектра энергий, у заряженных частиц, так же как при соударениях с медленными нейтронами, проявляются типичные явления резонанса. То обстоятельство, что такие резонансы чаще появляются при энергиях налетающих частиц, достаточно больших, чтобы позволить свободный проход через потенциальный барьер, ясно показывает непригодность более ранней концепции, согласно которой речь шла о квазистационарном состоянии частицы внутри барьера. Но то, что мы имеем дело, напротив, с совпадением полной энергии с квантовым состоянием коллективных движений частиц ядра, особенно убедительно доказано новыми наблюдениями Боте и его сотрудников, согласно которым при столкновениях между ядрами и частицами различного заряда, приводящих к тому же составному ядру, резонансы возникают при точно таких же значениях полной энергии.

Весьма тесная связь между движениями частиц в ядре, которая является решающей для ядерных реакций при соударении, способствует также тому, что излучательные свойства ядер существенно отличаются от излучательных свойств атомов. В то время как излучение последних в общем соответствует процессам перехода, при которых изменяется только связь одного электрона, и отвечает дипольным колебаниям, излучение ядер — как выяснилось из исследований вызванного -излучением фотоэффекта на внешней электронной оболочке того же атома — в общем квадрупольного типа. Согласно нашему представлению о ядерном возбуждении, это непосредственно понятно, так как излучение этого типа как раз будет соответствовать колебанию упругого тела с приблизительно равномерным распределением массы и заряда.

При таких колебаниях не могут в первом приближении возникнуть дипольные моменты, так как электрический центр должен всегда совпадать с центром тяжести. Оценка соответствующих квадрупольных моментов, основанная на размерах ядер и амплитудах квантованных ядерных колебаний, также приводит к приблизительному согласию с вероятностями процессов излучения, вычисленными из резкости резонанса при захвате медленных нейтронов. Что касается распределения интенсивности излучения для сильно возбуждённых ядер, мы должны бы ожидать определённого сходства с тепловым излучением при данной температуре. Однако быстрый рост с частотой вероятности излучения более высокой полярности (мультипольности) создаёт относительно большую вероятность более значительных квантовых скачков, которая становится особенно заметной при возбуждении лёгких ядер, и в определённых случаях приводит даже к преобладанию компоненты излучения, которая соответствует прямому переходу в нормальное состояние ядра. Особенно интересно в этом отношении излучение, возникающее при бомбардировке лития протонами и содержащее почти только одну компоненту с энергией около 17 Мэв. Относительно большая интенсивность этого излучения происходит, между прочим, от того, что при таких соударениях мы имеем дело с явным резонансом, при котором данное состояние составного ядра вследствие общих квантовомеханических требований симметрии не может распадаться на две -частицы, и поэтому излучение конкурирует исключительно с испусканием относительно медленного протона, который может только с трудом проходить через потенциальный барьер.

Дальнейшие интересные сведения о свойствах излучения ядер обещают в последнее время замечательные исследования Боте и Гентнера испускания нейтронов тяжёлыми ядрами при облучении их только что упомянутыми -лучами от протон-литиевого источника. Правда, тот факт, что облучённые элементы ведут себя совсем по-разному при таких ядерных фотоэффектах, казался на первый взгляд трудно совместимым с общими представлениями о возбуждениях ядра, к которым приводили ядерные превращения при столкновениях. Согласно этим представлениям все данные элементы должны обладать уже при энергиях возбуждения, много меньших 17 Мэв, непрерывным распределением энергии, и поэтому мы не можем ожидать обычного эффекта резонанса. Но мы должны учесть, что ситуация при ядерных превращениях, при столкновениях и под действием облучения совершенно различна. В то время как при столкновении характер процесса существенно определяется конкуренцией возможных вероятностей распада и излучения долгоживущего промежуточного состояния, характер фотоэффекта, напротив, будет зависеть от соотношения между связью и полем излучения с соответствующими этому специфическими колебаниями ядер, с одной стороны, и связью этих колебаний с другими возможными типами колебаний, с другой. Наличие последней связи приводит к тому, что энергия быстро распределяется между всеми колебаниями, как в нагретом теле, и что тем самым вероятность излучения энергии возбуждения в форме отдельного кванта в единицу времени очень быстро уменьшается от величины, свойственной ей в начальной стадии возбуждения, до весьма малой величины, соответствующей закону теплового излучения. Ядерный фотоэффект обнаруживает и в непрерывной области избирательную частотную зависимость, если только этот переход недостаточно быстрый, чтобы уничтожить влияние первоначального способа возбуждения на общую вероятность последующего излучения кванта. Согласно этой концепции, по которой отмеченная в упомянутых опытах избирательность ядерного фотоэффекта в непрерывной области состояний аналогична наличию резких инфракрасных областей поглощения твердого тела при обычной температуре, очевидно, должна быть создана возможность выяснить силу связи ядерных колебаний из фотоэффекта. Так как теоретически оценить это отношение связей, по-видимому, будет трудно вследствие большого, по сравнению со случаем кристалла, влияния квантовой нулевой энергии, продолжения опытов следует ожидать с большим интересом.

Нам хочется упомянуть ещё и другое явление, которое обещает новые взгляды на механизм ядерного возбуждения, а именно — открытие так называемых ядерных изомеров, т. е. долгоживущих продуктов с одинаковыми зарядами и массовыми числами, но обладающих различными радиоактивными свойствами. В последние годы установлено наличие таких ядерных изомеров при превращении многих элементов; особенно интересные случаи обнаружены в опытах Гана и Мейтнер с радиоактивными семействами, возникшими при столкновениях нейтронов с ураном. Как заметил впервые Вейцзекер, наличие больших времён жизни возбуждённых ядер можно объяснить предположением, что соответствующие состояния ядра имеют особенно высокие квантовые числа момента, и поэтому процессы излучения, которые соответствовали бы переходу в нормальное состояние, имеют весьма малую вероятность. Эта концепция, напоминающая метастабильность определённых атомных состояний, очень привлекательна; но пока трудно судить, достаточна ли она, чтобы объяснить особые условия появления различных ядерных изомеров, или тут играют роль ещё до сих пор неизвестные, присущие ядерным процессам правила отбора.

В заключение этого краткого обозрения, целью которого было прежде всего показать замечательную плодотворность новых областей исследования, возникших благодаря совместному использованию двух фундаментальных открытий Планка и Резерфорда, вряд ли нужно особо подчёркивать, что в собственно ядерной физике мы находимся только на пороге развития. Глубокая связь экспериментальных и теоретических исследований, отличающая поиски в этой области, даёт нам основания для самых больших надежд на дальнейшие успехи.